Визуализация внутриклеточного транспорта в 3D

Исследователи из Мюнхенского университета имени Людвига и Максимилиана визуализировали сложное взаимодействие между синтезом белка, его транспортом и модификацией.

Клетки высших организмов густо заполнены трубчатой сетью мембран — эндоплазматическим ретикулумом (ЭР). Комплексы, находящиеся в ЭР, служат платформой для связывания рибосом, клеточных машин, ответственных за синтез белка. Рибосомы, прикреплённые к ЭР, синтезируют белки, предназначенные для различных внутри- и внеклеточных локаций. Для успешной доставки многие из этих белков химически модифицируются молекулярным эквивалентом адресной метки при прохождении через мембрану ЭР.

Исследователи под руководством профессора Роланда Бекманна из Генетического центра LMU в сотрудничестве с коллегами из Института биохимии Макса Планка определили трёхмерную структуру макромолекулярного комплекса, который связывает этот этап маркировки с рибосомным синтезом белка и транспортом белка на мембране ЭР. Их исследование, опубликованное в журнале Science, закладывает основу для детального понимания этого жизненно важного клеточного процесса.

Все биологические мембраны состоят из фосфолипидного бислоя, который по сути непроницаем для полярных (электрически заряженных) молекул, таких как белки. Однако некоторые специализированные белки могут действовать как каналы для прохождения других белков через липидные бислои. На мембране ЭР такой «транслокон» позволяет белкам, синтезированным рибосомами, связанными с ЭР, попадать внутрь ЭР или интегрироваться в мембрану ЭР. При прохождении через мембрану растущий белок модифицируется в определённых местах путём присоединения «олигосахарида», состоящего из цепи из 14 молекул сахара, в процессе, известном как гликозилирование. Эта химическая метка гарантирует, что белок впоследствии будет доставлен в правильное место назначения. Кроме того, метка играет жизненно важную роль в том, чтобы новообразованный белок мог свернуться в соответствующую форму, необходимую для его биологической функции.

«Ошибки в гликозилировании приводят к накоплению неправильно свёрнутых белков, и они, в свою очередь, активируют клеточные стрессовые реакции — часто с фатальными последствиями для клетки», — говорит Катарина Браунгер, член команды Бекманна и первый автор нового исследования.

Ферментный комплекс, который присоединяет олигосахарид, пока новообразованная белковая цепь подаётся через транслокон рибосомой, известен как комплекс OST (олигосахарилтрансфераза). У высших организмов комплекс OST присутствует в двух разных составах. Используя комбинацию крио-электронной микроскопии и томографии, Бекманн и его коллеги получили структурные доказательства того, что эти две формы также различаются по своей функции.

• OST A-формы взаимодействует как с активной рибосомой, так и с белковым проводящим каналом, образуя стабильный комплекс, и модифицирует растущий белок во время его производства.
• Другой вариант (B-форма) не способен связываться с транслоконом. «Вариант B отвечает за проверку, а также за модификацию сайтов, которые недоступны для варианта A», — говорит Бекманн.

Новые данные позволили команде определить трёхмерную организацию субъединиц в рибосомосвязанных комплексах OST и разработать молекулярную модель их функции. Модель позволяет предложить основу для различий в специфичности между двумя вариантами и объясняет, как механически связаны транспорт белка и гликозилирование.